薛虎溝礦1209綜放工作面區(qū)段煤柱合理寬度研究

安文廣

（霍州煤電集團河津薛虎溝煤業(yè)有限責任公司, 山西臨汾 041000）

1 概述

在煤礦開采過程中, 由于井下作業(yè)環(huán)境較為惡劣, 使得在正常開采過程中, 巷道受到的應力環(huán)境十分復雜, 在進行厚煤層綜放方法進行煤層開采時, 由于區(qū)段煤柱的留設, 使得礦井煤炭資源浪費嚴重, 同時隨著巷道進一步開采使得煤柱尺寸增大, 浪費量持續(xù)增大, 所以研究厚煤層綜放面煤柱寬度的合理尺寸對于維持巷道穩(wěn)定性, 提升礦井采煤率具有十分重要的意義[1], 本文以薛虎溝礦1209工作面為工程背景, 采用數(shù)值模擬及理論分析等方法, 對厚煤層堅硬頂板區(qū)段煤柱的留設進行研究, 為礦井地質條件相類似工作面區(qū)段煤柱留設提供參考。

2 礦井概況及煤柱留設理論分析

薛虎溝礦位于山西省河津下化鄉(xiāng)陳家?guī)X村, 生產(chǎn)能力90×104t/a, 主采煤層為2#、10#煤層, 2#煤層的平均厚度為4.3m, 含煤系數(shù)為9.3%, 由于保護煤柱留設寬度較大, 造成資源的嚴重浪費。

回采工作面采用的護巷煤柱一般可分為窄煤柱和寬煤柱兩種, 窄煤柱護巷是在采空區(qū)的邊緣布設一定寬度的窄煤柱, 從而降低巷道的應力集中, 利用窄煤柱的承載力進行巷道支護, 但窄煤柱留設不合理時, 會使得煤柱出現(xiàn)壓壞的情況, 此時巷道煤巖的穩(wěn)定性就無法得到保證, 巷道出現(xiàn)大幅度變形。而采用寬煤柱護巷時, 既需要保證煤柱不會出現(xiàn)大面積塑性區(qū)破壞, 同時也需要保證資源浪費量最小, 所以對區(qū)段煤柱的合理尺寸進行研究。首先對區(qū)段寬煤柱的應力分布情況進行分析, 隨著煤柱寬度的增大, 煤柱的應力分布情況也所有不同[3]。大致可分如下三種情形（如圖1所示）。

圖1 不同煤柱寬度應力分布

由圖1可以看出, 當區(qū)段煤柱綜放面回采完成后, 此時工作面的擾動使得支撐壓力的影響距離和煤柱寬度分布呈現(xiàn)出三種趨勢, 圖中B為煤柱寬度,L為支撐壓力影響范圍, 當B＞2L時, 此時的載荷分布呈現(xiàn)出對稱分布的情形, 對稱軸為煤柱的中心線, 應力分布呈現(xiàn)出雙駝峰狀, 當L＜B＜2L時, 此時的應力的載荷呈現(xiàn)出疊加趨勢, 整體應力分布呈現(xiàn)出馬鞍形, 當B＜L時, 此時的煤柱兩側應力完全疊加, 應力分布大幅度上升, 煤柱中間的應力急劇增大, 此時應力峰值呈現(xiàn)單峰態(tài)勢, 長時間承載后煤柱中間易發(fā)生失穩(wěn)破壞。從以上可以看出, 在長期采動影響下, 煤柱發(fā)生蠕變, 從而使得煤柱失穩(wěn), 造成巷道變形。為了分析合理煤柱寬度, 利用FLAC3D數(shù)值軟件對特厚煤層區(qū)段煤柱的合理寬度進行分析[2]。

3 數(shù)值模擬分析

首先結合薛虎溝礦井地質條件, 構建數(shù)值模型, 建立模型長寬高分別為394m、8m、285m, 在模型頂部施加覆巖自重, 經(jīng)過計算為5.4MPa的均布載荷, 對模型進行網(wǎng)格劃分, 整個模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分后共有66138個單元, 98334個節(jié)點, 對模型進行力學參數(shù)設定, 根據(jù)頂?shù)装鍘r層巖性進行力學參數(shù)設定, 設定完成后對模型寬度進行設定, 分別選定煤柱寬度為8m、10m、13m、15m、20m和30m, 對模型進行計算, 由于模擬圖較多本文僅展示8m、15m和20m的云圖（如圖2所示）。

圖2 不同煤柱寬度煤柱垂直應力分布云圖

由圖2所示可以看出, 在巷道開挖過程中, 巷道的原巖應力會出現(xiàn)重新分布。當煤柱寬度為8m時, 使得煤柱的應力集中現(xiàn)象較為明顯, 應力集中的區(qū)域較大, 當煤柱寬度增大至15m時, 此時藍色應力集中區(qū)域的面積大幅度減小, 此時巷道煤柱內(nèi)部的應力集中幾乎消失, 而在采空區(qū)側, 此時的應力集中區(qū)域無較大變化, 隨著煤柱寬度的進一步增加, 應力集中區(qū)域逐步降低, 應力峰值出現(xiàn)在巷道側1m左右的位置, 在采空區(qū)側應力峰值分布于2～3m的位置, 在煤柱寬度從8m增大至20m的過程中, 此時巷道的應力峰值有了較大幅度的降低, 峰值從24.2MPa降低至9.2MPa[3]。

對不同煤柱回采期間的垂直應力分布情況進行分析, 將煤柱寬度8m、10m、13m、15m、20m、30m的垂直應力分布情況繪制曲線（如圖3所示）。

從圖3可以看出, 在工作面回采過程中, 由于受到工作面采動及采空區(qū)側向支撐壓力的作用, 使得煤柱在回采期間的應力峰值較掘進期間有了較大幅度的提升, 當煤柱寬度為8m和10m時, 此時的煤柱內(nèi)部應力大致呈現(xiàn)出單峰的趨勢, 應力的最大值分別為47.4MPa和51.8MPa, 當煤柱寬度增大至10m以上時, 此時煤柱的內(nèi)部應力分布呈現(xiàn)出不對稱的雙峰形態(tài), 而應力值較煤柱寬度小于10m時有了較大幅度的降低, 在煤柱寬度為15m時, 此時的應力峰值為37.5MPa, 此時煤柱內(nèi)部的應力環(huán)境較為緩和, 而當煤柱寬度進一步的增大, 此時煤柱內(nèi)部的應力峰值分別為煤柱寬度20m時27.5MPa, 煤柱寬度30m時的19.1MPa, 雖然隨著煤柱寬度增大煤柱內(nèi)部應力及巷道應力環(huán)境均有了大幅度的改善但會造成一定的資源浪費, 所以煤柱的合理寬度應該設定為15～20m的范圍, 在此區(qū)段不僅可以保證巷道的穩(wěn)定性, 同時能夠避免造成大量的資源浪費[4]。

圖3 不同煤柱寬度垂直應力分布曲線

對煤柱內(nèi)部的塑性區(qū)變化規(guī)律進行分析, 繪制出不同煤柱寬度下塑性區(qū)面積與煤柱面積的比值曲線（如圖4所示）。

圖4 不同煤柱寬度下塑性區(qū)面積與煤柱面積的比值曲線

從圖4可以看出, 當煤柱寬度為8m和10m時, 此時的煤柱內(nèi)部塑性區(qū)域面積均大于整體面積的60%, 同時在巷道側的塑性區(qū)域比值小于采空區(qū)側的塑性區(qū)域比值, 可以看出此時煤柱幾乎完全破壞, 在采空區(qū)側的應力環(huán)境更為惡劣, 當煤柱寬度大于10m時, 此時的整體煤柱內(nèi)部塑性區(qū)占煤柱整體面積的比值有所降低, 分別為28%、16%、7%、4%, 可以看出隨著煤柱寬度的增大, 此時煤柱內(nèi)部塑性區(qū)域面積有所降低, 同時降低的幅度逐步減小, 可以看出煤柱的寬度對于煤柱內(nèi)部塑性區(qū)影響較大, 當煤柱寬度大于15m時, 此時煤柱整體的塑性區(qū)分布能夠滿足要求, 區(qū)段煤柱維護巷道穩(wěn)定性作用得到保障, 所以煤柱寬度的選擇應當選定為15m[5]。

4 結論

（1）為了研究1209綜放工作面開采煤層區(qū)段煤柱的合理尺寸, 對寬煤柱支護巷道應力分布情況進行分析, 為后續(xù)煤柱寬度的選擇提供依據(jù)。

（2）通過對不同煤柱寬度下煤柱垂直應力分布情況進行分析發(fā)現(xiàn), 隨著巷道煤柱寬度的增大, 煤柱內(nèi)部垂直應力有了明顯的減小, 在考慮資源浪費情況下, 確定煤柱寬度15～20m時最佳。

（3）對不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)部塑性區(qū)分布進行分析, 發(fā)現(xiàn)隨著煤柱寬度增加, 煤柱內(nèi)部塑性區(qū)面積減小, 當煤柱寬度為15m時, 此時為經(jīng)濟安全合理寬度。